CN111121944A

CN111121944A - 振动测量系统和振动测量方法

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Publication number: CN111121944A
Application number: CN201811458285.8A
Authority: CN
Inventors: 陈放怡; 郭翠霞; 杨肖杰
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: CN111121944B

Abstract

本申请涉及一种振动测量装置和振动测量方法。所述发射装置用于发射探测光束。所述发射光束通过所述光纤耦合装置分为参考光束和样品光束。所述参考光束经过所述参考臂射向所述反射装置。所述样品光束经过所述样品臂射向待测样品。经过所述待测样品反射的所述样品光束和经过所述反射装置反射的所述参考光束经过所述光纤耦合装置后产生携带所述待测样品的振动信息的第一干涉光信号和第二干涉光信号。所述频域OCT结构成像装置用于将所述第一干涉光信号转换为所述待测样品的导航图像。所述时域OCT振动测量装置用于通过所述第二干涉光信号得到所述待测样品的振动测量点的振幅。

Description

振动测量系统和振动测量方法

技术领域

本申请涉及测量领域，特别是涉及振动测量系统和振动测量方法。

背景技术

OCT技术自1991年诞生以来，首先被用于结构成像。OCT作为非接触式成像技术能够实现空间分辨率在微米量级的三维图像。国外学者于1998年将OCT技术成功用于对待测样品表面和内部结构的非接触式振动测量，测量精度可达纳米量级。

目前,被广泛用于振动测量的OCT模式包括2种，即时域OCT和频域OCT。时域OCT通过所测得信号中强度的变化频率和幅度，解析待测振动的信息，并已经被成功应用于包括生物组织在内多种样品的振动测量。然而，由于时域OCT在深度方向上的成像扫描速度较慢，因而无法实现对振动测量的实时图像导航。该缺陷会导致使用者难以及时在待测样品中精确确定振动测量点的位置。

发明内容

基于此，有必要针对使用者难以及时在待测样品中精确确定振动测量点的位置的问题，提供一种振动测量系统和振动测量方法。

一种振动测量系统，包括：

发射装置，用于发射探测光束；

光纤耦合装置，所述发射光束通过所述光纤耦合装置分为参考光束和样品光束；

参考臂和反射装置，所述参考光束经过所述参考臂射向所述反射装置；以及

样品臂，所述样品光束经过所述样品臂射向待测样品；

经过所述待测样品反射的所述样品光束和经过所述反射装置反射的所述参考光束经过所述光纤耦合装置后产生携带所述待测样品的振动信息的第一干涉光信号和第二干涉光信号；

频域OCT结构成像装置，用于将所述第一干涉光信号转换为所述待测样品的导航图像；

时域OCT振动测量装置，用于通过所述第二干涉光信号得到所述待测样品的振动测量点的振幅。

在一个实施例中，所述发射装置为红外线发射器，所述振动测量系统还包括：

指示灯激光发射装置，用于发射指示光束，所述指示光束经过所述光纤耦合装置后通过的路径与所述样品光束通过的路径相同。

在一个实施例中，还包括波分复用器，所述探测光束和所述指示光束经过所述波分复用器后进入所述光纤耦合装置。

在一个实施例中，所述时域OCT振动测量装置包括：

光电探测器，用于将所述第二干涉光信号转换为振动电信号。

在一个实施例中，所述时域OCT振动测量装置包括：

锁相放大器，用于接收所述振动电信号，并提取所述振动电信号中强度变化频率与所述待测样品的振动测量点的振动频率一致的组分。

在一个实施例中，还包括振动装置，与所述锁相放大器电连接，所述锁相放大器通过所述振动装置控制所述反射装置振动。

在一个实施例中，所述频域OCT结构成像装置包括光谱仪，所述第一干涉光信号通过所述光谱仪转换为所述待测样品的图像信息。

一种振动测量方法，包括：

S10，基于频域OCT模式对待测样品进行扫描，以提供导航图像；

S20，基于所述导航图像，确定待测样品的振动测量点；

S30，基于时域OCT模式对所述振动测量点进行振动测量。

在一个实施例中，所述步骤S20后包括：

S21，移动所述振动测量点使得所述振动测量点位于时域OCT振动测量的目标点位置。

在一个实施例中，所述步骤S10中，所述导航图像包括沿深度方向扫描的二维图像。

本申请实施例中，通过频域OCT结构成像装置可以实现对所述待测样品的振动测量点选择及确定过程进行精确导航，并且不会引入频率在待测振动频率范围内的噪声。利用所述导航图像，所述时域OCT振动测量装置能够对所述待测样品的振动测量点的振幅的精确测量，且可以测得的所述振动测量点的最大频率不受扫描采样率限制。通过将所述频域OCT结构成像装置和所述时域OCT振动测量装置配合使用，达到了能够在有即时图像导航条件下进行高频振动测量的效果。

附图说明

图1为本申请实施例提供的振动测量系统示意图；

图2为本申请实施例提供的振动测量方法流程图。

附图标记说明：

振动测量系统10

发射装置110

光纤耦合装置130

参考臂120

反射装置140

样品臂150

频域OCT结构成像装置160

光谱仪162

线阵电荷耦合器件164

凸透镜166

光栅168

时域OCT振动测量装置170

光电探测器172

锁相放大器174

指示灯激光发射装置180

波分复用器190

振动装置210

待测样品220

振镜230

控制终端240

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的振动测量系统和振动测量方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了解决使用者难以及时在待测样品中精确确定振动测量点的位置的问题，发明人研究发现，时域OCT在进行沿样品深度方向的成像扫描时，其用于扫描的振镜会不可避免地发出噪声，且该噪声的频率可能位于待测振动的频率范围以内，从而对振动测量引入干扰。频域OCT在沿样品深度方向上可以做到实时扫描，继而可以实现在深度方向上的实时成像。同时，频域OCT的成像扫描不会引入频率在待测振动频率范围内的噪声。然而，由于频域OCT每次沿深度方向上的扫描需要同时采集不同深度多个样品点的信号，并立即对这些信号进行傅里叶变换等处理，因而频域OCT沿深度方向的扫描率存在上限。如果频域OCT沿深度方向的扫描率过高，会造成其在进行深度方向扫描时曝光时间不够，继而导致其信噪比、灵敏度、测量精度等性能显著下降。根据采样定理，频域OCT沿深度方向的扫描率上限决定了其能够测量的振动频率的上限。目前已报道的用于振动测量的频域OCT系统能够测量的振动频率通常不高于40kHz，因而无法满足生物医学研究(如：听觉系统振动研究)的需求。

为解决上述问题，请参见图1，本申请实施例提供一种振动测量系统10。所述振动测量系统10包括发射装置110、光纤耦合装置130、参考臂120、反射装置140、样品臂150、频域OCT结构成像装置160和时域OCT振动测量装置170。所述发射装置110用于发射探测光束。所述发射光束通过所述光纤耦合装置130分为参考光束和样品光束。所述参考光束经过所述参考臂120射向所述反射装置140。所述样品光束经过所述样品臂150射向待测样品220。经过所述待测样品220反射的所述样品光束和经过所述反射装置140反射的所述参考光束经过所述光纤耦合装置130后产生携带所述待测样品220的振动信息的第一干涉光信号和第二干涉光信号。所述频域OCT结构成像装置160用于将所述第一干涉光信号转换为所述待测样品220的导航图像。所述时域OCT振动测量装置170用于通过所述第二干涉光信号得到所述待测样品220的振动测量点的振幅。

本实施例中，所述发射装置110可以用来发射红外光等光束。所述光纤耦合装置130可以将所述发射光束分束为所述参考光束和所述样品光束。所述光纤耦合装置130可以具有双向导通的功能。所述参考臂120可以通过所述参考光束。所述样品臂150可以用于通过所述样品光束。所述样品光束用于射向所述待测样品220的多个成像扫描点和确定的振动测量点。所述参考光束经过所述参考臂120到达所述反射装置140，而后经过所述反射装置140反射，再次经过原光路返回所述光纤耦合装置130。同时，经过所述待测样品220反射的所述样品光束经过原路径返回到所述光纤耦合装置130。在所述光纤耦合装置130，返回的所述样品光束和所述参考光束经过所述光纤耦合装置130，并在光纤耦合装置130内发生干涉。所产生的干涉信号再被分为所述第一干涉光信号和所述第二干涉光信号。因此所述第一干涉光信号和所述第二干涉光信号均携带所述待测样品220的振动信息。所述振动信息可以包括待测样品220的振动测量点的振动频率和所述振动频率对应的振动幅度信息。

所述第一干涉信号中所包含的不同波长的组分在所述频域OCT结构成像装置160内被分别接收，经过傅里叶变换后可以转换为沿所述待测样品220深度方向的结构信息，并可以将所述结构信息重建为所述导航图像。所述导航图像可以为包含沿所述待测样品220深度方向和横向扫描方向的二维结构图像。与此同时，所述第二干涉光信号进入所述时域OCT振动测量装置170后可以提取出所述第二干涉光信号的强度随时间变化的信息。

所述待测样品220振动会引起所述待测样品220的振动测量点的位置的变化。因此所述振动测量点到所述发射装置110的光程发生变化，所述样品光束的光程发生变化。而经过所述参考臂120返回的所述参考光束所对应的光程差保持不变。因而当所述振动测量点所对应的光程由于所述振动测量点的振动而改变时，经过所述振动测量点反射的所述样品光束与经过所述反射装置140反射的所述参考光束之间的光程差即会改变。因而可以使得所述参考光束和所述样品光束形成的干涉光信号强度改变，通过所述时域OCT振动测量装置170可以得到所述干涉光信号强度改变的信息。

当所述振动测量点的位置由于振动而出现周期性改变时，所述时域OCT振动测量装置170所得到的所述第二干涉光信号的信号强度也会随着发生周期性改变。所述第二干涉光信号的信号强度改变的频率和幅度分别对应所述振动测量点的振动频率和振动幅度。所述待测样品220的振动可以通过在外部人为施加刺激(如：纯音激励)而进行诱发，且所诱发的振动频率与刺激频率相同，因此所述待测样品220的待测振动频率可以是已知的。通过所述时域OCT振动测量装置170可以将所述第二干涉光信号的强度变化频率与所述待测样品220的振动频率一致的部分提取，继而进行强度检测。通过该频率一致部分的信号强度变化幅度，可以得到所述待测样品220的振动测量点的振幅。当所述待测样品220为生物结构(如：鼓膜、听小骨等)时，通过所述振幅可以反映所述生物结构生理功能或结构病变等信息。

在一个实施例中，所述参考臂120可以包括两个间隔排列的凸透镜166。通过所述凸透镜166可以聚光。在一个实施例中，所述样品臂150可以具有两个凸透镜166和设置于所述两个凸透镜166之间的振镜230。通过所述振镜230可以将所述样品光束折射。

本申请实施例提供的所述振动测量系统10，经过所述待测样品220反射的所述样品光束和经过所述反射装置140反射的所述参考光束经过所述光纤耦合装置130后产生携带所述待测样品220的振动信息的第一干涉光信号和第二干涉光信号，通过所述频域OCT结构成像装置160可以即时将所述第一干涉光信号转换为所述待测样品220的导航图像。所述时域OCT振动测量装置170通过所述第二干涉光信号得到所述待测样品220的振动测量点的振幅。因此，通过频域OCT结构成像装置160可以实现对所述待测样品220的振动测量点选择及确定过程进行精确导航，并且不会引入频率在待测振动频率范围内的噪声。利用所述导航图像，所述时域OCT振动测量装置170能够对所述待测样品220的振动测量点的振幅的精确测量，且可以测得的所述振动测量点的最大频率不受扫描采样率限制。通过将所述频域OCT结构成像装置160和所述时域OCT振动测量装置170配合使用，达到了能够在有即时图像导航条件下进行高频振动测量的效果。

在一个实施例中，所述发射装置110为红外线发射器。所述振动测量系统10还包括指示灯激光发射装置180。所述指示灯激光发射装置180用于发射指示光束。所述指示光束经过所述光纤耦合装置130后通过的路径与所述样品光束通过的路径相同。所述红外发射器110可以发射宽频近红外光。所述近红外光可的中心波长可以为1310nm，频带宽度可以为75nm。由于所述近红外光为不可见光，因此无法看到所述近红外光所照射到的所述振动测量点的位置。所述指示灯激光发射装置180发出的所述指示光束可以为可见光。且所述指示光束的光路与所述样品光束重合，因此通过所述指示光束在所述待测样品220上的照射点可以确定所述近红外样品光束在所述待测样品220上的照射点。

在一个实施例中，所述振动测量系统10还包括波分复用器190。所述探测光束和所述指示光束经过所述波分复用器190后进入所述光纤耦合装置130。所述波分复用器190可以耦合不同波长的光。通过所述波分复用器190可以减少被耦合的不同波长的光在同一段光纤内传播过程中的衰减。

在一个实施例中，所述时域OCT振动测量装置170包括光电探测器172。所述光电探测器172用于将所述第二干涉光信号转换为振动电信号。通过所述光电探测器172可以得到所述第二干涉光信号的强度的改变。

在一个实施例中，所述时域OCT振动测量装置170还包括锁相放大器174。所述锁相放大器174用于接收所述振动电信号，并提取所述振动电信号中强度变化频率与所述待测样品220的振动测量点的振动频率一致的组分。通过所述振动电信号中强度变化频率与所述待测样品220被测点的振动频率一致的组分可以得到所述振动测量点的振幅。

在一个实施例中，所述振动测量系统10还包括振动装置210。所述振动装置210与所述锁相放大器174电连接。所述锁相放大器174通过所述振动装置210控制所述反射装置140振动。所述锁相放大器174可以具有多个振动频道，因而可以发出不同频率的振动信号。所述锁相放大器174给所述振动装置210的振动频率不同于所述振动测量点的频率。通过给所述反射装置140振动信号可以消除系统噪声对所述振动测量的干扰。

本实施例中，所述振动装置210驱动所述反射装置140进行振动，因而为所述振动测量系统10引入参考振动。所述参考振动的振动频率和振动幅度可以通过所述振动装置210设定。因此所述振动频率和振动幅度是已知的。所述参考振动的作用是消除系统噪声。在所述参考振动存在的情况下，所述时域OCT振动测量装置170测得的所述第二干涉光信号同时包含了所述待测样品220的待测振动和所述参考振动。在处理所述第二干涉光信号的过程中，通过计算可以消除所述参考振动，并能够同时消除系统噪声，从而提高了振动测量的精度。

在一个实施例中，所述频域OCT结构成像装置160包括光谱仪162。所述第一干涉光信号通过所述光谱仪162转换为所述待测样品220的图像信息。所述光谱仪162可以包括线阵电荷耦合器件164、光栅168以及两个凸透镜166。通过所述凸透镜166可以汇聚光束。所述光栅168可以把包含多个波长的光信号分解成按波长顺序排列的多束单波长光信号。所述线阵电荷耦合器件164可以将各个单波长光信号在各自的波段上分别进行接收，并根据各个波段上所述单波长光信号的光强度分别转化为相应强度的电信号。

在一个实施例中，所述振动测量系统10还可以包括控制终端240。所述控制终端240可以为电脑。所述控制终端240可以与所述锁相放大器174和所述光谱仪162电连接。通过所述控制终端240可以显示所述导航图像和所述振幅。

在一个实施例中，所述振动测量系统10中用来作为光路的光纤可以为单模光纤。连接所述指示灯激光发射装置180和所述波分复用器190之间的光纤为用来传播波长为633nm可见光的单模光纤。其它装置之间的光纤可以为用来传播波长为1310±37.5nm红外光的单模光纤。

请参见图2，本申请实施例还提供一种振动装置210方法，所述方法包括：

S10，基于频域OCT模式对待测样品220进行扫描，以提供导航图像；

S20，基于所述导航图像，确定待测样品220的振动测量点；

S30，基于时域OCT模式对所述振动测量点进行振动测量。

在S10中，使用频域OCT模式对待测样品220进行扫描可以不产生干扰噪声，并可以对所述待测样品220即时成像，继而可以为所述振动测量点的测量提供即时图像导航。所述导航图像可以包含沿深度方向和垂直于深度方向横向扫描的二维图像。通过频域OCT可以实现即时成像，所以可以通过多次尝试不同的横向扫描位置，来寻找能够包含更加合适振动测量点的成像位置

在步骤S30中，在即时图像导航条件下，利用时域OCT模式所测振动的最大可测量频率不受扫描采样率的限制，可以提高可测量振动频率的范围和对高频振动的测量精度。

本实施例将频域OCT模式和时域OCT模式结合，可以达到即时图像导航与高频振动测量兼顾的效果。

在一个实施例中，所述步骤S20后包括：

S21，移动所述振动测量点使得所述振动测量点位于时域OCT振动装置210的目标点位置。

本实施例中，所述目标点可以是样品光束照射的点。所述时域OCT振动装置210的目标点位置可以在设备调试的过程中选定，因此所述目标点相对于显示区的位置是固定的。通过移动所述待测样品220使得所述待测样品220不同的振动测量点与所述目标点的位置重合。可以理解，在使用上述振动测量系统10时，可以通过调节所述样品臂150改变所述振动测量点的位置。所述该目标点位置可以为系统零光程差位置，即保证样品臂150和参考臂120光程相等的位置。

在一个实施例中，所述步骤S10中，所述导航图像包括沿所述待测样品深度方向和垂直于所述待测样品深度方向的横向扫描的二维图。通过所述二维图可以确定所述振动测量点的位置。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种振动测量系统，其特征在于，包括：

发射装置(110)，用于发射探测光束；

光纤耦合装置(130)，所述发射光束通过所述光纤耦合装置(130)分为参考光束和样品光束；

参考臂(120)和反射装置(140)，所述参考光束经过所述参考臂(120)射向所述反射装置(140)；以及

样品臂(150)，所述样品光束经过所述样品臂(150)射向待测样品(220)；

经过所述待测样品(220)反射的所述样品光束和经过所述反射装置(140)反射的所述参考光束经过所述光纤耦合装置(130)后产生携带所述待测样品(220)的振动信息的第一干涉光信号和第二干涉光信号；

频域OCT结构成像装置(160)，用于将所述第一干涉光信号转换为所述待测样品(220)的导航图像；

时域OCT振动测量装置(170)，用于通过所述第二干涉光信号得到所述待测样品(220)的振动测量点的振幅。

2.如权利要求1所述的振动测量系统，其特征在于，所述发射装置(110)为红外线发射器，所述振动测量系统还包括：

指示灯激光发射装置(180)，用于发射指示光束，所述指示光束经过所述光纤耦合装置后通过的路径与所述样品光束通过的路径相同。

3.如权利要求2所述的振动测量系统，其特征在于，还包括波分复用器(190)，所述探测光束和所述指示光束经过所述波分复用器(190)后进入所述光纤耦合装置(130)。

4.如权利要求1所述的振动测量系统，其特征在于，所述时域OCT振动测量装置包括：

光电探测器(172)，用于将所述第二干涉光信号转换为振动电信号。

5.如权利要求4所述的振动测量系统，其特征在于，所述时域OCT振动测量装置包括：

锁相放大器(174)，用于接收所述振动电信号，并提取所述振动电信号中强度变化频率与所述待测样品(220)的振动测量点的振动频率一致的组分。

6.如权利要求5所述的振动测量系统，其特征在于，还包括振动装置(210)，与所述锁相放大器(174)电连接，所述锁相放大器(174)通过所述振动装置(210)控制所述反射装置(140)振动。

7.如权利要求1所述的振动测量系统，其特征在于，所述频域OCT结构成像装置包括光谱仪(162)，所述第一干涉光信号通过所述光谱仪(162)转换为所述待测样品(220)的图像信息。

8.一种振动测量方法，其特征在于，包括：

S10，基于频域OCT模式对待测样品(220)进行扫描，以提供导航图像；

S20，基于所述导航图像，确定待测样品(220)的振动测量点；

S30，基于时域OCT模式对所述振动测量点进行振动测量。

9.如权利要求1所述的振动测量方法，其特征在于，所述步骤S20后包括：

10.如权利要求1所述的振动测量方法，其特征在于，所述步骤S10中，所述导航图像包括沿深度方向扫描的二维图像。